优秀毕业论文（设计）_常减压焦油加工工艺换热网络设计与优化

1、摘要随着全球经济快速的发展，全球能源资源的快速消耗，资源短缺成为了二 十一世纪所面临的重大问题，它制约着人类的生存和发展。再者由于我国长 期粗放型经济增长模式导致高能耗、高物耗的产业占据着我国重要的地位。而常减压蒸馏是是炼油工业的基础，同时也是炼油企业的用能大户约占全厂 总能耗的20%-30%。因此常减压蒸馏装置的节能优化对于炼油厂极为熏要。 那么每个炼油厂必须有着自己的一套常减压换热络来实现全厂的节能优化， 通过换热网络优化综合设计一个最优的换热网络也就显得极为重要。该设计 就是为年消耗20万吨常减压焦油装置换热网络进行模拟优化。(1) 确定常减压焦油加工工艺的流程，采用脱水塔、分馏塔、蒽油

2、塔、 酚油塔、分馏塔进行5塔蒸馏。确定进料组分以及进料量，利用aspen plus 软件进行常减压焦油加工工艺的流程的模拟，得到产品表，进行物料衡算确 定物料守衡。(2) 根据流程模拟数据，利用aspen energy analyzer进行常减压焦油加 工工艺换热络的模拟，得到换热网络热负荷为冷负荷为，根据换热网络复 合温焓图和温差成本图中确定常减压焦油加工工艺换热网络夹点温度为 210°c,在温差为8.5°c时，换热成本是最低的。根据栅格图找出常减压焦油 加工工艺中热量使用不合理的地方。(3)设置允许换热温差分别为rc、t-rc, b°c,对常减压焦油加工工 艺

3、进行换热网络的模拟，进行流股匹配，得到在允许换热温差等于最小换热 温差的时候是最节工程用量的，节约了坑44.。根据成本最低原则，选 择优化方案二。关键词：流程模拟换热网络模拟夹点技术换热网络优化abstractwith the rapid development of the global economy, rapid depletion of global energy resources, shortage of resources has become a major problem facing the twenty-first century, it restricts the hu

4、man survival and development. furthermore, because our long-term extensive economic growth mode leads to high energy consumption, high material consumption industry occupies an important position in china. and yes basis of atmospheric and vacuum distillation refining industry, but also energy-hungry

5、 refineries account for about 20% -30% of the whole plants total energy consumption. thus saving optimization crude distillation unit is extremely important for the refinery. then each refinery must have their own set of atmospheric and vacuum heat network to achieve energy optimization of the whole

6、 plant, an optimal integrated design optimization of heat exchanger network through a network will become extremely important. the design is to the annual consumption of 200,000 tons of tar crude oil distillation unit heat exchanger network simulation and optimization.determine the atmospheric and v

7、acuum tar processing technology processes using dehydration tower, fractionating tower, tower anthracene oil, phenol oil tower，fractionating column distillation tower 5. determine the feed ingredients and feed rate，use of aspen plus software for simulation of atmospheric and vacuum distillation of t

8、ar processing process, to give the product table, for material balance to determine the material conservation.according to the process simulation data using aspen energy analyzer to simulate the atmospheric and vacuum distillation of tar processing technology heat exchanger network, get a load of co

9、ld heat exchanger network load is determined according to the temperature of the heat exchanger network composite enthalpy diagram and the temperature difference between the cost of fig. atmospheric and vacuum distillation tar processing technology heat exchanger network pinch point temperature of 2

10、10 °c，the temperature difference is 8.5 °c，the heat exchanger isthe lowest cost. according raster map to find tar processing crude oil distillation process using heat unreasonable.setting allows the temperature difference was 6 °c，8.5 0c，12 °c， atmospheric and vacuum distillation

11、 of coal tar processing technology to simulate heat exchanger network, perform stream match to give the allowable temperature difference is equal to the minimum temperature difference the amount of time is the most section of the project, saving 2744.9mj / h. according to the principle of lowest cos

12、t, choose optimization ii.key words： process simulation heat exchanger network simulation pinchtechnology heat exchanger network optimization1. 新仑11.1化工流程模拟11.1.1化工流程模拟及其国内外研究进展11.1.2稳态化工流程模拟11.2夹点技术31.2.1夹点技术的应用范围及其发展31.2.2夹点技术的基木概念41.2.3夹点设计法的基木原理51.2.4夹点及夹点温度的确定61.3换热网络的模拟、优化综合71.3.1换热网络的模拟81.3.2

13、换热网络的优化综合81.3.3换热网络的研究进展92. 常减压焦油蒸馏工艺的模拟102.1常减压工艺描述102.2常减压工艺流程的模拟102.3工艺流程模拟结果112.3.1物料衡算112.3.2能量衡算122.4 4、结-133. 换热网络模拟及优化143. 1 换热网络模拟软件 aspen energy analyzer143.2换热网络模拟143.3换热网络的优化163.3.1优化方案一163.3.2优化结果二173.3.3优化方案三183.4优化方案结果对比194、结-194. 结i仑21辦捕22w舌辛23|5付$24附表一煤焦油常减压蒸馏工段流程图241.绪论近些年来，能源的消耗量的

14、增加使得各种资源急剧短缺。这严重影响并制约着经济的 发展以及生态的平衡。其中，作为一种不可再生资源-石油，在全球范围内的剩余量越来 越少，但它在世界经济屮所发挥的作用却越来越重要。在我国，石油的消费量随着经济发 展水平的提高不断攀升，其供需问题已成为日益突出的矛盾。2013年，我国原油年产量 约两亿吨，消费量却接近五亿吨。2014年，我国的原油消费量突破五亿吨，累计净进口 量约为三亿吨左右，对外依存度接近三分之二1。由于我国长期以来粗放型的经济增长模式，导致整个石化行业的生产过程能耗、物耗 量巨大。然而，近些年来能源成本的持续上涨，严重制约了石化企业发展，使得该领域正 想方设法地进行各种技术上

15、的改进以降低能源消耗，节约运营成本。就i；前来看，虽然石 油炼制生产技术的发展水平在不断提升，但从整个炼油工业的角度来看，大多数装置的原 油换热终温未能达到行业内设计要求水准。从而，对常减压蒸馏工艺进行改造、提高能量 回收率对于炼油企业的节能降耗至关重要。1.1化工流程模拟1.1.1化工流程模拟及其国内外研究进展社会的发展离不开化工行业的发展，而在生产过程中，如何对其操作工艺与设备单元 进行改进以提高工作效率、节约能源是我们所关心的主要问题。通常，在一个化工过程中， 因为某些实际因素我们无法直接得到系统内部的具体情况情况，从而需要对整个流程进行 模拟以获取所需信息。作为化工过程系统中最基本的技

16、术，无论是对系统内部情况详细分 析还是优化工艺过程或是对系统的综合设计都离不开化工流程模拟技术。对流程的模拟即 就是根据化工过程屮的工艺操作，建立一个能够准确描述流程屮所有信息的模型并采用相 关算法对该模型求解，从而获得所需信息2。它是由化工原理、工程热力学、传热学以及 系统工程学等多学科体系综合发展而來的产物。随着化工流程模拟软件的研发以及模拟屮 准确度和复杂性的提升，目前数学模型的建立与求解通常是利用计算机完成。对于任何一 个化工流程模拟系统，均可将其分为四部分：模型、算法、软件与用户接口。通过化工流 程模拟技术于可对操作工艺进行改进、提高生产效率；节约能源，有效地防治污染并且降 低了工厂

17、的投资费用和运营成本。1.1.2稳态化工流程模拟稳态流程模拟是指根据工艺的特点，在与实际相差不大的基础上，将部分工艺操作参 数理想化为不随时间改变的定值，对整个化工过程进行模拟。i；前，稳态化工流程模拟技 术主的应用相对较为广泛，主要集中在以下几个方而3:工工艺流程再现：利用相关计算机模拟软件，通过建立运行装置的模型以及相关 工艺操作参数的输入，可对现行化工过程进行模拟，实现生产流程的复现；优化生产过程：通过对现行装置的工艺流程模拟，利用相关软件模块分析计算其 工艺操作参数、流股数据等，找到工艺过程的的不足之处，进行优化改造。可利用多套不 同方案的流程模拟间的比较，从中优选出最佳设计方案，确定

18、生产工艺路线；对新型化工过程开发与技术可行性分析：通常情况下，新型工艺的研发与推广需 要大量的试验与实际性操作，这将会耗费一定的时间和人力。另外，由于工艺准确性无法 得以保证，操作中稍有不慎还可能造成一定的危害。通过稳态模拟技术来代替中间试验， 可在新型工艺条件下进行流程模型，装置调优以及过程剖析，从中探索得到最佳操作工况， 以及利益收率情况的预估。这不仅提高了工作效率，乂可降低生产成木。对生产过程的经济性收益分析与评估：通过流程模拟软件中的和关模块设定适 当的目标函数与约束条件，跟据计算结果对系统的设备费用，能量费用的投资比率以及总 的经济收率做一预估；软件集成的综合应用；将流程模拟软件与其

19、它工程软件集成用于化工工艺流程 的优化设计。目前己得到普遍推广应用的流程模拟技术主要是流程的稳态模拟。工程项目中所使用 的模拟技术或是基于计算机软件进行设计、操作的流程模拟均为稳态的，所以在后续章节 中将其简化成化工流程模拟，即是指稳态的流程模拟。化学工业的发展，过程学科分类的精细化，使得人们对化工过程、工艺流程、单元操 作等的认识不断深化。在此基础上，“化工流程模拟”这一概念应运而生。随后，在计算机 技术的迅速发展下，于上世纪后半叶时期化工流程模拟软件开始研发，这使得解决流程模 拟时所采用的一些数值计算方法可以通过使用计算机软件而实现|41。w外对于化工流程模拟的研究始于20世纪50年代中后

20、期，并和继推出了 4种流程 模拟软件。50年代，世界上第一款流程模拟程序“flexible floweet”由美国kellogg公司 率先推出，其主要应用于对系统中单个操作设备的流程模拟。60年代，休斯顿大学开发出 “chess”通用性化工流程模拟系统。70年代中后期，麻省理工大学与美w能源部合作研 发了新一代化工流程模拟系统“aspen”'此时的化工模拟软件已经开始由着眼于单个设备 转向对整体装置的工艺模拟、计算。发展至80年代，化工过程模拟软件的技术日益成熟， 功能也愈加完善。在这个时段里，一大批优秀的模拟软件和继突出，如：美国smisci模 拟公司研发的大型通用性流程模拟软件“p

21、ro/iraspen tech软件公司推出第二代化工流 程模拟系统“aspen plus。90年代中后期，新型的交互式模拟系统“hysys”软件由加拿大 hyprotech公苛成功开发并得以推广应用。随后，美国aspen tech软件公司推出“aspen one-,它在模拟计算方面有较大改进。该公司的“hysy”、“htfs”“aspen plus”等各大产品成为目前的主流模拟软件。与此同时，另一种完全不同的化工流程模拟技术也得以问世，即以神经元网络（ann）为理论基础并将其应用于流程模拟中的人工智能方法，目前仍处 于理论阶段。国外对于流程模拟的研宄以及相关模拟软件的研发、推广工作主要由专门的

22、 化工模拟软件公司进行，而非像过去的分散在各大学院及炼化公司。其模拟计算的精确度、 可靠性大大提升，应用范围也己经从单纯的稳态计算开始向工业设备装置“在线化”模拟方 向发展，使用愈加方便，功能愈益丰富|67。在我国，尽管对于化工流程模拟的研究起步相对较晚，但仍取得了一定的成果。其中， 比较著名的有：上世纪80年代后期，青岛化工大学自行研制了“ecss”通用模拟软件|81, 这是w内到目前为止唯一一款独立研发、推广并得以成功应用的化工流程模拟软件；90年 代，北京化工大学对于动态模拟转向仿反应器的研发，并在该人为非定态反应模拟技术方 面取得了一定的成果之后将其成功应用于燕山烟机件模拟平台上；北京

23、石油化工研究院研 发再生流程模拟系统“ccsos”，随后将其成功应用于催化裂化反应装罝的模拟中。与国外 相比，当前我国流程模拟软件及模拟力量主要集中在相关院校、石化企业和各大化工研究 所，应用还不十分普及，平均水准也未达到国际先进水平|91。1.2夹点技术1.2.1夹点技术的应用范及其发展目前，最实用的夹点技术是过程集成方法。在世界范围内夹点技术已成功地取得了相 当显著的节能效果，通过大量的工业实践表明：运用夹点技术可以明显的提高系统能量利 用率、降低投资和操作成本等，对工业生产具有十分重要的作用。如果在老工厂中采用夹 点技术，对老j *实行全面的改造，预估计可节能20%-35%,在半年至3年

24、之间，改造投 资成本将得到回收uqj。热回收换热网络的优化集成孕育出夹点技术。夹点技术初次应用于热回收换热网络， 并成功推行，至此夹点技术的应用范围也逐步扩大，蒸汽动力公用工程子系统也可以运用 夹点技术，随后夹点技术又进一步发展一跃成为包括蒸汽动力公用工程子系统和热回收换 热网络子系统的总能系统。夹点技术在其他领域也逐步取得成功，在工艺过程子系统中的分离设备的节能上夹点技术也成功应用，此外，分离设备在过程系 统中的集成就是后续发展的目标。90年代以来，质量交换网络中也出现了夹点技术，夹点技术也逐渐发展成了一种质量 综合手段，废水最小化的夹点设计方法、氢夹点分析等也陆续被提出。夹点应用范围十分

25、广泛，不仅在新厂设计中可以引进，又可利用其进行己有系统的节能改造，但是在目标上 还是在方法上两者都是存在差别。从优化目标来看，最初以能量为系统的h标的夹点技术， 后续发展为以总费用为目标的技术，最后综合考虑过程系统的可操作性、安全性、对不同 工况的适应性以及对环境的影响等，将夹点技术改为非定量的工程目标。因此，其技术 的用途也比较广泛，不仅可用于优化集成热回收换热网络，还可合理的设置热机和热泵，以此确定公用工程的等级和用量，达到分离设备的集成，提高生产能力，减少废气污染排 放，减少生产用水等目的。1.2.2夹点技术的基本概念热力学第二定律是夹点技术的理论依据，主要是从能量回收的极限值的观点开始

26、，寻 找出整个系统中的能量冋收瓶颈，其方法是通过组合温焓曲线得到，以此建立一个最大限 度能量冋收的初始网络，另外可以通过对投资成本与运转成本的权衡对比，对换热网络进 行进一步优化与调整，最终呈现在我们面前的是一个最有效的换热网络。可以用温一焓图(t-h图)来表示物流的热特性，焓图的横坐标为焓值，纵坐标为温 度t。从低温向高温的走向是需要被加热的冷物流线，从高温向低温的走向是需要被冷 却的热物流线。用ah来表示物流的热量，其值为横坐标两点之间的距离，称为焓差， 另外，物流的热量和温位不会随物流线左右平移而变化。如图1-1，如果将冷物流或者热物流从温度ts加热或冷却至b标温度tt,过程中传 热总量

27、为q = jcp d t1-1如果把热容cp视为常数，上式可改写为：q=cp (tt-ts) = ah1-2通过上式可以知道，冷物流被加热或热物流被冷却的过程可以用温一焓图上的一条直 线来表示。可以知道，t-h图上的线越平缓cp值越大吋，反之亦然。图1-1单一温焓图在实际的工业生产过程中，通常都有多股冷物流或热物流需要被加热或被冷却，如图 1-2所示，对于这种情况，可将合多股热物流合并成一根热复合曲线；也可将多股冷流股 合并成一根冷复合曲线。1.2.3夹点设计法的基本原理温焓图上的焓值是一个和对值，因此其曲线不会因为水平的平行移动发生改变变换热 量，因此，可以通过温焓图上可以清楚的看到夾点并进

28、行面描述。当然在实际工程设计过 程中若需要利用温焓图来确定夹点的位置，需要其基木的工艺参数，如系统内所有物流的 压力、组成、初始温度、质量流量等。除此之外，还要知道冷热物流间的最小允许传热温 差atmin。atmin是影响换热的重要参数。有了上述的数据之后，便可利用温焓图确定夹点 位置。确定夹点位置的方法步骤是：1、在温焓图上分别绘出冷热物流组合曲线；2、热 物流组合曲线下方放罝冷物流组合曲线；3、将冷物流曲线平行左移至冷、热物流组合曲 线间，垂直距离最小等于atmin,这样我们就可以在图中观察到夹点的位置。如图1-3所示，在温焓图中，夹点在热物流组合曲线上为m点，冷物流组合曲线上 sna，即

29、热物流的温度等于m点温度的部位和冷物流温度等于n点的部位都称为夹 点，而夹点位置热物流温度与冷物流温度正好等于最小传热温差atmm。从图1-3可以看出：（1）qc，min为换热网络系统中的最小公用工程冷却量；（2）qh,mins换热网络系统中的最小公用工程加热量；（3）整个换热网络中，在最小传热温差atmm限制条件下，所能回收的最大热量为qr，min;夹点位罝将整个系统分割成两部分。在夹点下方部分，换热网络仅需要换热和 冷却公用工程，因此，也把夹点下方部分也称为冷端，即没有任何热量流入，可以把这部 分看做一个热源。在夹点上方部分，整个换热网络仅需要换热和加热公用工程，因此，夹 点上方部分也称为

30、热端，即没有任何热量流出，可以将这部分看成是一个热阱。在工程设计中，如果在夹点上方的热阱子系统中设置一个冷却设备，即用冷却公用工 程移走部分热量a,这部分热量就需要由热公用工程额外输入，这个是根据夹点之上子系 统热平衡得出的。导致的结果是加热和冷却共用工程量均增加山同理，若在夹点下方热 源子系统中设置一个加热设备，根据夹点之下子系统的热平衡原理可以得出，加热工程用 量和冷却公用工程量会随之增加。另外，在换热网络中，如果进行换热匹配方式通过夹点上方的热物流与夹点下方的冷 物流之间，即发生跨越夾点传递热量为p;那么可以得出夾点上方的加热公用工程量和夾 点下方的冷却公用工程量都随之增加p。同样是根据

31、夹点上下子系统的热量平衡得出的。1.2.4夹点及夹点温度的确定对于初次设计一个过程系统，一个适合的最小允许传热温差atmin是设计者需要选定 的。针对一个现有的装置过程系统，选择一个适宜的最小允许传热温差初值atmin应该依 靠经验来决定。对于操作型夹点设计，需耍通过迭代计算操作型夹点设计，需耍使计算公 用工程用量与实际用量保持一致，这个时候的夹点才是真正意义上的实际系统装置的夹 点，同理所得到的最小允许传热温差atmin才是我们需耍的实际过程的atmin。atmin直接 影响着成本指数的变化会直接导致总得费用增加，如图1-41-4夹点传热温差与系统费用间的关系 选择合适的最小换热温差，可以直

32、接决定总费用的多少1.3换热网络的模拟、优化综合实际上，在工业的过程生产装置中，总有很多条物流需要被加热，也可称为冷物流， 例如分离设备的进料、进入反应器的原料物流等，另外又有一些物流需要被冷却，称其为 热物流，例如分离产品、反产物等。在工业生产中进行换热通常利用生产装置木身的热物 流与冷物流，来回收一部分热量，以达到目的。当然也存在补救措施，如果冷物流与热物 流进行换热后达不到指定的温度时，则需要用公用工程来加热，常用的是蒸汽或燃料等； 如果热物流与冷物流换热后同样达不到指定温度时，则需要用公用工程来冷却，常用的是 用水冷或空冷等冷却。换热网络由此也产生，把这种由装置中冷、热物流之间进行换热

33、的 换热器，利用公用工程加热用的加热器，利用公共工程中冷凝的冷却器三者所构成的换热 系统称为换热网络11。由于爆发能源危机，世界上，许多国家的政府十分重视节能工作。节能工作主要从三 个阶段入手：第一个阶段，利用单体设备进行余热回收；第二阶段，利用单体设计、强化 传热、同时减少系统中单体的数量；第三阶段，把过程工业中的设计达到能耗最小、环境 污染少、成木最小，把多个系统集成起来作为一个有机整体进行，达到整体设计最优，以此达到整个系统的优化节能。换热网络也被称为一个有机的系统|121。1.3.1换热网络的模拟实际中有一类问题需要我们进行换热网络的数学模拟，这些问题主要是：利用计算 机建立换热网络的

34、数学模型，描述模型并利用计算机上进行仿真与实验；已知该系统的内 部流程结构，每个换热设备的结构参数值，输入到该网络的各个物流数据和，利用上述已 知条件求换热系统中每个换热设备输出的物流有关数据；每个换热设备的传热系数、热负 荷、流动阻力等数值13。利用计算机强大的计算能力来解答与计算化工过程中的数学模型， 以达到模拟化工过程中系统的性能的b的，早在上个世纪50年代这种技术就己经在化 学工业中开始被应用，经过几十年的的发展，己经成为一种普遍采用的常规技术。换热网络被广泛的应用，许多现代化工系统中的换热器也常常利用换热网络，达到实 现多种物流体、多个温度区间的热量交换与冋收。但是由于工业过程系统的

35、复杂化与大型 化，使得所使用的换热网络的结构越来越复杂、规模也越来越大，换热网络对于整个工业 过程系统的能量交换与回收也越来越重要。因此过程工业系统优化节能中的侧重研究方向 与主要研究热点也主要针对于换热网络的优化设计、系统性能预测以及节能系统动静态仿 真的研究等。但是，不管是换热网络的性能优化还是动静态性能预测仿真都需要利用模拟， 即换热网络的模拟是工业过程工作的基础，是不可缺少的环节。1.3.2换热网络的优化综合现代企业中有一些化工生产中的老装置，经过多年，这些老装置因技术落后，对节能 要求不高，工、ik过程物流换热达不到理想的要求，很多都需要优化改造的；冇些工业生产 工艺由于生产能力或条

36、件的变化，己有换热网络跟不上现有的生产，对生产造成严重的影 响，这个时候就必需对己有网络进行改造。换热网络优化改造的应用范围是十分广泛的， 同样也是非常重要，不可忽视14。最大换热网络面积、最大换热量与最小换热器数量是换热网络优化设计的目的，也是 设计的核心。换热网络达到这样的要求是换热网络的最优化设计，具冇最少ii最小的设备 （换热器、冷却器、加热器）、最少的投资成本与操作成本（公用设施的费用），同吋也 满足把每一个过程物流加热或冷却到指定要求的目标温度以达到生产的要求15。当然换热 网络良好的操作性、灵活性和可控性也是必须要有的。在换热网络的节能优化的研究过程中，所需要遵循的主要思想是：（

37、1）换热网络可以充 分回收热量以达到工艺要求；（2）利用原有设备，节省设备投资；（3）设计出的换热流程结构 简单具有灵活的操作性，便于管理与维修。在生产过程中，原有换热网络存在的较为突出 的问题是：（1）冷、热物流换热不合理，达不到工艺要求；（2）流程结构复杂，没有良好的操 作性；（3）换热设备利用不充分，浪费设备；（4）取热比不均衡15。1.3.3换热网络的研究进展上个世纪，换热网络的最初研究方向是想尽一切办法回收换热系统内部能量，以减少 外加能量为主要r标。因此研宄问题的方向也被归结为数学中的分配问题得方向，通常是 建立相应的数学模型来进行计算与解答，这种研宄方向有很大的弊端，只注重数学计

38、算， 忽略实际的工业生产，对实际应用的指导意义不大16。在换热网络的综合研宂上有了突出进展的是rudd、hohmann以及他们的伙伴。他们 最初的思想是换热网络不只是个数学任务分配的问题，在综合研宄过程中需耍从实际出 发，综合热力学来进行研宄。因此他们提出研宄的初步过程是先对系统进行热力学分析， 这样做的目的是上确定可以回收的最小换热设备数与最大能量，这一研宄过程被称之为确 定目标17】。rudd和hohmann关丁热力学分析的思想对后来的研究具有重要的影响，b.linnhoff 就是根据这一思想于1979年提出了关于确定最小能耗的“夹点”的概念18。通过研宄发现，可以将换热网络的优化综合分为

39、三个大类：基于热力学的的研究试探 法、数学问题研究法和人工智能研究法(ai)。在研究试探法中，linnhoff> hindmarsh以及 umeda等学者发现了热回收夹点，经过多年的研宄，提出了利用换热网络合成的夹点技术 来达到系统优化的目的。在以后的研究过程中，夹点设计法被曝光，成为换热网络优化方法中最闪耀的亮点。2.常减压焦油蒸馏工艺的模拟2.1常减压工艺描述炼油厂屮，常减压蒸馏装置是最复杂的单元设备之一。它的处理量很大，同时也要消 耗相当多的能量。轻微的能量改进就可以节约巨大的能量。因此常减压蒸馏装置的节能是 必要的。在此先对常减压装置做一简单介绍。常减压装置一般分为四部分，即电脱

40、盐部分、初馏部分、常压部分及减压部分。从全 装置能量利用优化上又可分为系统能量、换热网络和单元设备三个环节。常减压装置的能 耗主要有加热炉燃料消耗、蒸汽及冷却水消耗和电力消耗等。因此，提高原油的换热终温 和加热炉效率是节能的主要途径。但是，提高原油的换热终温是以减小装置换热温差为代 价的，因而，导致装置设备投资增加。从提高经济效益的观点出发，常减压装置优化设计 的目标是综合性的年费用最小。2.2常减压工艺流程的模拟以焦油车间20万吨（常减压多塔式）/年焦油装置为基础，采用aspen plus流程模 拟软件对焦油蒸馏过程进行模拟核算，通过对模拟结果与实际生产数据作对比进行模拟分 析。图2-1流程

41、模拟图预热至85°c的煤焦油（21）经一段换热器（e1）加热到llo'c后，进入一段蒸发器（f1）进行脱水，粗焦油中的大部分水分和部分轻油(22)从一段蒸发器(f1)顶部蒸出，底部 出来的无水焦油(29)含水小于0.5%。无水焦油经二段换热器(e2)加热到390°c后(s1) 进入脱水塔(t1),使轻油馏分与其他馏分分离。轻油馏分(s2)自塔顶采出，其他馏分 (s3)自塔底逸出进入分馏塔(t2)。分馏塔(t2)顶部混油馏分(s5)进入酚油塔(t4), 其他馏分(s6)从塔底部进入蒽油塔(t3)。蒽油塔(t3)顶部蒽油馏分(s7)采出，沥 青(s3)从底部采出。酚油塔

42、(t4)顶部釆出进入酚油(s10),从底部逸出两混油(s11)。 分馏塔(t5)顶部采出轻萘油(s13)，底部采出洗油馏分(s14)。焦油常减压工艺流程图见附表一。2.3工艺流程模拟结果2.3.1物料衡算本设计中的物料衡算以每小时物质的量(kmol/h)为基准，设计中煤焦油的处理量为 20万吨/年，年工作时间定为8000小时，则每小时的进料量为23879kmol/h，在软件中进行 运算，得出焦油的进料量为45.2466kmol/h,根再据各组分的质量分数，换算出各组分的摩 尔进料量和摩尔分数见表2-1。表2-1进料组分表组分名称进料量(k-mol/h)摩尔分数xfi组分名称进料量(k-mol/

43、h)摩尔分数xjqbenzene0.5140017320.001naphthl3.2577572650.12h201.8171045630.030.1809865220.004yoluene0.5411496840.00235xylnac0.384596365().011pyridine0.482329067().001quinolin0.4271281890.004ebenzen0.5501990020.0022mnapht1.060581050.018pxylene0.473279750iquinoln0.4723748290.005mxylene0.4732797501mnapht0.7

44、891012060.012oxylene0.473279750indole0.3366349340.002styrene0.5954456420.003biph0.4271281890.004mesityle0.5954456420.00326dmnp0.517621470.006phenol0.316726404().00527dmnp0.517621470.006indene0.1131165750.003acenap1.2415675050.022ocresol0.0904932610.002fluoren2.1736480540.043pcresol0.0904932610.002ph

45、nanth3.8459635380.06mcresol0.1809865220.004anthrce2.5790578160.0321234hnap0.0904932610.002fluanthe0.9049325980.02组分名称进料景(k-mol/h)摩尔分数xfi组分名称进料量(k-mol/h)摩尔分数xfi24xylnac0.0904932610.002pyrene0.9049325980.0225xylnac0.0904932610.002liqing17.600939710.54623xylnac0.0452466310.001total进料量45.246630312摩尔分数1.

46、000表2-2常减压流程物料衡算表流程常减压流程年产量（万吨）产品产量(k-mol/h)浙靑19.43688.2064蔥油6.42472.7125洗油8.07613.4093萘油4.22652.2721酚油0.72980.3068轻油、水6.35282.6831总计45.246719.5902各精馏eg投入eg产品，系统屮物料守恒。 2.3.2能量衡算表2-3换热网络负荷成本表热交换冷热流股负荷kjh换热面积m2设备数t4酚汕塔冷凝器c6.572e+00525.871t3蔥汕塔再沸器h8.227e+0053.8251t3蔥汕塔冷凝器c7.363e+0053.9351t4酚汕塔再沸器h8.259

47、e+00529.851t2分馏塔冷凝器c1.308e+00611.121t5分馏塔再沸器h6.635e+005429.23t1脱水塔再沸器h1.552e+0068.5611t1脱水塔冷凝器c3.246e+00532.701t5分馏塔冷凝器c6.222e+0051.7451t2分馏塔再沸器h2.081e+00623.651根据上表计算出热公用工程用量为5945.lmj/h，冷公用工程用量为3675.6mj/h,总公 用工程量为9620.7mj/h。操作单元数量为122.4小结简介常减压蒸榴工艺，确定5塔蒸溜工艺，确定进料组分与摩尔分数，使用aspen plus 软件对5塔蒸馏工艺进行模拟，得到产

48、品。对进料与产品进行物料衡算，得岀系统中物料 守恒。对设备进行能量衡算，得到能量衡算表。3.换热网络模拟及优化3. 1换热网络模拟软件aspen energy analyzeraspen energy analyzer （能量分析器）是aspen teach公司旗下的一个产晶，是进行 换热网络优化设计的一个强大的概念设计乜，提供了夹点分析和换热网络优化设计的环 境，是aspen再工程应用上的一个重要工具。它的功能宥（1）计算能量和设备投资目标;（2）进一步改善能量热集成项目，从而减少操作费用、设备投资费用并使能量利用最大 化；（3）提供过程能量优化的工具；（4）提供表格结合使用的方法。3.2换

49、热网络模拟将冷热两个流股数据输入到软件中进行处理，使用aspen energy analyzer绘制出 夹点传热温差atmin=8.5'c时该常减压蒸馏装置换热网络的冷、热流股复合曲线温焓阁和总 组合曲线图（其中，红色实为热流股的组合曲线，蓝色虚线为冷流股组合曲线）如图34栅 格图如图3-2composite curves图34换热网络复合流股温焓图根据复合流股温焓图可以读出夹点温度为210°c，换热流股不能穿过夹点温度，穿过 夹点温度会导致公用工程量增加;不允许在夹点温度以上区域设置冷公用工程；不允许在夹 点以下温度区域设置热公用工程。aoocnwjju*oc9-sarrc

50、mf1740c»0c蠱”朗，扇mmnorrmr.jocc»1cifav2814csmc«4c：»cwwt2jo.i6，hacccmtwervo.tb2c-: c«nrtti to s：imtc_»<cs»ocs4scftorwirqwi2m0c311cw82m319u*/aftonbdrgts/osk2x0c»ocft0uwrot</o.$11woe.rsx:f-4ter«oirow»嚷 paw零kxuc i|aoocaooc««0ikiochpston图3-2换

51、热网络栅格图在栅格图中热物流被冷却到夹点上方，冷物流被加热到夹点下方，但是两股物流都不 能穿越夹点，如果穿越夹点，就会增加冷热负荷从而增加成本费用，图中显示所冇的流股 都是用公用工程所提供的能量进行换热，没有任何的内部换热，这样冋导致负荷增加。显 示经过t3蔥油塔s3流股和经过t5分馏塔的s13流股换热是不符合夹点原理的，它们的 换热穿过了夹点温度，既增加了冷公用工程也增加了热公用工程。range targets105exm)2(s/lsoo)o6jel xopul 1sooleoi1 04e-0021.03e0021.02e0021.01e0021 00e002990e-0039 80e-0

52、039 70e-003960e4)039.50e-003 ,- total cost index target051015202530354045deltatmin (c)图3-3温差成本图根据图屮可以读出atmin为8.5'c,总成本指数目标为9.58e-003kj/h是最小负荷，当 atmin小于8.5'c时，总成本指数a标增加，当at.大于8.5°c时总成本指数r标极具增大, 所以确定最小换热温差为8.5°c最经济。3.3换热网络的优化根据表1-4,改变夹点温差，确定三种优化方案。优化方案一，设置夹点温差为12"c 进行换热网络的模拟；优化方

53、案二，设置夹点温差为最小传热温差8.5°c进行换热网络的 模拟；优化方案三设置夹点温差为6"c进行换热网络的优化。3.3.1优化方案一图3-4优化结果一栅格图从栅格图中可以看出，经过aspen energy analyzer软件得自动匹配流股后，得到四条 进行内部换热的换热路程。（1）去往蒽油塔冷凝器（1）出来的部分流股与去往酚油塔（ti）再沸器出来 的s11 部分流股进行了内部换热换热，只是增加了 一个换热器e- lib。（2）去往蒽油塔冷凝器（13）出来的奶另一部分流股与经过分馏塔（tt再沸器 去往的si4流股进行了换热，只是增加了一个换热器e-itj。（3）去往蒽油塔

54、冷凝器（13）出来的流股与去往分馏塔（h）再沸器出来的si4 流股进行了换热，只是增加了一个换热器e-lib。（4）去往分馏塔（h）冷凝器出来的si3流股与去往脱水塔（ti）再沸器出来的 s5流股进行换热，只是增加换一个热器e-ib。表3-1优化结果一负荷成本表热交换负荷kj/h成本 index cost换热而积m2设备数e-108c1.308c-0061.550c+00411.141e-111h8.377c-0051.771e+0059.371e-109c6.572e+0052.110e+00426.771e-114h7.630c+0051.542c+00410.931e-110c3.346

55、c+0052.302c+00432.701e-112h2.081c+0062.620c+00519.561e-113h9.393c-0051.22960046.0751根据表4-1，计算得到冷公用工程量为2389.8mj/h,热公用工程量为4591mj/h。 设备数为14，减少2个冷凝器，增加4个换热器。3.3.2优化结果二图3-5优化结果二栅格图从栅格图中可以看出，经过aspen energy analyzer软件得自动匹配流股后，得到四条 进行内部换热的换热路程。（i）去往蒽汕塔冷凝器（15）出来的奶一部分流股与去往分馏塔（12）再沸器出来 的sb部分流股进行了换热，没有用到冷公用工程和热公用工程，只是增加了换热器（2）去往蔥汕塔冷凝器（13）出来的st另一部分流股与去往酚汕塔（t）再沸器出来的sii流股进行了换热，没有用到冷公用工程和热公用工程，只是增加了换热器e-i«b。 （5）去往蒽油塔冷凝器（13）出来的流股与去往分馏塔（h）再沸器出来的s14流股进行了换热，没有用到冷公用工程和热公用工程，只是增加了换热器e-lib。（4）去往分馏塔（h）冷凝器出来的si5流股与去往脱水塔（ti）再沸器出来的s5流股进行换热，没有增加冷公用工程和热公用工程，增加换热器e-1亂